混凝土结构多筋植筋的锚固性能试验研究

赵 军，唐兴荣，刘启真

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011）

近年来，后植筋锚固技术在建筑改造、结构加固等实际工程中得到较为广泛的应用，国内外学者针对不同规格结构胶的植筋锚固粘结性能进行了试验研究和理论分析；但比较多的是对单筋植筋锚固性能进行研究[1-5],对多筋植筋锚固性能的研究还不多，对单筋、双筋、三筋、四筋和五筋同时进行系统性地拉拔试验研究更不常见[6-10]，且目前有关规范仅对植筋深度做了规定，没有明确规定群锚效应对多筋植筋拉拔承载力的折减系数。因此，有必要开展多筋植筋锚固性能的对比研究，探讨混凝土结构多筋植筋的拉拔破坏形式及锚固性能。本文主要研究了多筋植筋锚固性能，并在试验结果分析的基础上，建立了考虑群锚效应影响的多筋植筋锚固承载力的计算公式，为实际工程的应用提供技术依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

以植筋钢筋数目为主要设计参数，设计了单筋、双筋、三筋、四筋和五筋植筋试件，同时还设计了一个预埋试件进行对比。其中，试验的植筋深度la均为10d（d为植筋钢筋直径），植筋钢筋之间的锚固间距S为100 mm。采用650 mm×300 mm×2 600 mm混凝土块为基材，混凝土设计强度等级C35，所有试件的植筋钢筋均为HRB400级钢，直径均为16 mm。植筋胶采用杭州鑫球科技有限公司生产的XQ360E双组份环氧注射式植筋胶。各试件的设计参数和配筋见表1所列和图1所示；各材料力学性能如下。

植筋钢筋：屈服强度435.5 MPa，极限强度670.5 MPa，弹性模量203 000 MPa；

混凝土基材：立方体抗压强度33.3 MPa，棱柱体抗压强度26.4 MPa，弹性模量30 831 MPa；

XQ360E双组份环氧植筋胶：劈裂抗拉强度≥8.5 MPa，抗弯强度≥50 MPa，抗压强度≥60 MPa，钢对钢拉伸抗剪强度≥10 MPa，约束拉拔条件下带肋钢筋与混凝土（C30）粘结强度≥11 MPa。

表1 各试件设计参数及试验主要结果

图1 多筋植筋钢筋布置图

1.2 植筋锚固的施工工艺

植筋锚固的施工工艺：钻孔→清洗→注胶→植筋。成孔后采用专用胶枪从孔底部注射双组份环氧植筋胶，植筋胶面距试件表面约1/4埋置深度，将准备好的植筋钢筋慢慢旋入孔中，待植筋胶从孔边溢出，并清理多余植筋胶，植筋锚固施工结束。植筋后室外养护3 d即可进行拉拔试验。

1.3 加载装置及加载方式

试验为无约束静力单向拉拔试验，采用液压千斤顶加压和自制反力架进行加载试验。传力路径为液压千斤顶→加载顶板→加载拉杆→加载底板→预应力螺纹钢筋→植筋钢筋。加载装置见图2。

正式开始加载之前进行预加载，根据每一根植筋钢筋应变对装置进行调整，确保每一根植筋钢筋共同均匀受力。正式加载制度：峰值拉拔荷载前采用荷载控制加载，峰值拉拔荷载后采用位移控制加载，直至拉拔试验结束。

1.4 测量内容及测量方法

试验测量主要内容包括：试件的破坏形式和拉拔承载力；混凝土结构表面、植筋钢筋端部及加载底板的拉拔荷载-位移曲线；植筋钢筋的应变。位移计的布置见图2。所有应变片及位移计通过DN3821型号静态电阻应变仪采集仪采集；荷载采用荷载传感器及读数显示器测读。

图2 加载装置

2 试验结果分析

2.1 破坏形态

试件的破坏形态如图3所示，可以结果得出，多筋植筋均发生锥体-粘结复合破坏。

当植筋数目单根和两根时，随着荷载的逐渐增大，钢筋先达到屈服，植筋钢筋周围混凝土出现裂缝，并发展为环形裂缝形成明显的锥面，继续加载发生锥体-粘结复合破坏，见图3（a）、图3（b），整个锚固系统丧失承载力；当植筋数目为三根和四根时，随着荷载的逐渐增大，植筋钢筋周围混凝土产生裂缝，继续加载裂缝发展呈辐射状，且混凝土基材上产生横向裂缝，裂缝继续加载发生锥体-粘结复合破坏，见图3（c）、图3（d），整个锚固系统丧失承载力，植筋钢筋均未发生屈服；当植筋数目为五根时，随着荷载的逐渐增大，植筋钢筋周围混凝土产生辐射状裂缝，且延伸至整个混凝土基材横断面，继续加载基材劈裂，见图3（e），整个锚固系统丧失承载力，植筋钢筋均未发生屈服。

图3 各试件的破坏形态

发生上述破坏现象的原因，由于多筋（三筋、四筋、五筋）植筋之间的间距较近，植筋之间混凝土相互作用形成芯柱，当达到拉拔峰值荷载时，多筋植筋外侧混凝土表面发生锥体破坏，其受力机理如图4所示。

图4 锥体-粘结破坏受力机理示意图

2.2 拉拔荷载-竖向位移曲线比较

图5 给出了各试件拉拔钢筋端部荷载-竖向位移曲线（P-δ）。由图5可见，加载初期，拉拔荷载-竖向位移近似呈线性，此时界面间主要为胶结力起作用。随着荷载的增大，拉拔荷载-竖向位移曲线出现转折点，并达到峰值拉拔荷载，此时出现锥体破坏，界面主要发生粘结破坏，植筋的滑移量增大。在峰值拉拔荷载后，随着植筋应变的增加，植筋逐渐被拔出，没破坏截面主要为机械咬合力和摩擦力，所以滑移量急剧增大，最后发生锥体-粘结破坏。

2.3 拉拔承载力分析

图6给出了各试件拉拔承载力Pu,m与植筋数量n的关系曲线Pu,m-n，从图6中可见，在植筋深度、植筋间距一定时，Pu,m随着n的增加而提高。但植筋平均拉拔荷载（Pu,m/n）随着n的增加而降低。但需要说明的是试件RAS-5-10d-100最后做的拉拔试验，混凝土基体已出现裂缝致使试件的拉拔承载力有所降低。

图5 各试件P-δ

图6 各试件Pu,m-n

定义多筋植筋拉拔承载力降低系数φ为多筋植筋平均拉拔承载力Pu,m/n与单植筋拉拔承载力Pu,s的比值，即φ=（Pu,m/n）/Pu,s。各试件承载力降低系数与植筋数量关系如表2所列，从中可以看出，多筋植筋拉拔承载力不等于单植筋拉拔承载力与植筋数量的乘积，而是有一个折减，这是由于多筋植筋周围混凝土破坏锥体会出现重叠所致。

表2 各试件承载力降低系数φ

3 多筋植筋拉拔承载力计算

试验中多筋植筋拉拔试验大多发生锥体-粘结复合破坏，本文主要分析复合破坏时多筋植筋拉拔承载力计算方法。已有的试验研究和理论分析表明[6-10]，多筋植筋拉拔承载力与植筋间距s、植筋边距c和植筋埋深la等因素有关。参考文献[10]，拉拔承载力降低系数φ

式中，φb为植筋埋深及受力不均匀对承载力的影响系数，φb≤1.0；φc为边距影响系数，φc≤1.0；φs为间距影响系数，φs≤1.0；d为植筋钢筋直径。

多筋植筋拉拔承载力计算公式可表示为

式中，Pu,s为单根植筋发生锥体-粘结破坏时拉拔承载力

式中，Ac（x0）为锥体-粘结复合破坏时，混凝土锥体的水平投影面积；x0为拉拔承载力取最小值时混凝土锥体高度；D为植筋孔直径；ft为混凝土轴线抗拉强度；α为混凝土轴心抗拉强度降低系数，取0.7；τm为植筋胶与混凝土截面的平均粘结应力；θ为混凝土锥面与水平面的夹角，根据已有植筋试验可取30°。

表4给出了本次试验多筋植筋试件的拉拔承载力与按式（5）的计算值的比较。由表4可见，各试件的拉拔承载力计算值与试验值之比的平均值为1.064 4，均方差为0.249 1，计算值与试验值吻合较好，说明计算公式具有较好的适用性。

表4 多筋植筋拉拔承载力计算值和试验值比较

4 结论

（1）在植筋深度、植筋间距一定时，植筋总拉拔承载力随着植筋数目的增加而提高，但植筋平均拉拔荷载随着植筋数目的增加而降低。

（2）当多筋植筋拉拔破坏为锥体-粘结破坏时，多筋植筋拉拔承载力小于单植筋拉拔承载力与植筋数量的乘积，即，应考虑多筋植筋拉拔承载力降低系数的影响。

（3）当多筋植筋拉拔破坏为锥体-粘结破坏时，多筋植筋承载力可表示为多筋植筋拉拔承载力降低系数与植筋数量和单筋植筋拉拔承载力乘积，公式的计算值与试验值符合较好，说明公式具有较好的适用性，对其他受力情况下的准确计算与分析尚有待进一步研究。